電子電器架構(gòu) —— 區(qū)域控制器是未來(lái)架構(gòu)的正解嗎？

我是穿拖鞋的漢子，魔都中堅(jiān)持長(zhǎng)期主義的汽車電子工程師（Wechat：gongkenan2013）。

老規(guī)矩，分享一段喜歡的文字，避免自己成為高知識(shí)低文化的工程師：

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本就是小人物，輸了就是輸了，不要在意別人怎么看自己。江湖一碗茶，喝完再掙扎，出門靠自己，四海皆為家。人生的面吃一碗少一碗，人生的面見一面少一面。人生就是一次次減法，來(lái)日并不方長(zhǎng)。自己的狀態(tài)就是自己最好的風(fēng)水，自己的人品就是自己最好的運(yùn)氣。簡(jiǎn)單點(diǎn)，善良點(diǎn)，努力點(diǎn)，努力使每一天都開心，不為別人，只為自己。

文章大體有如下內(nèi)容：

1、背景信息

2、智能熔斷

3、進(jìn)一步集成

4、將I/O與計(jì)算設(shè)備分離開來(lái)

5、轉(zhuǎn)向48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)

6、穩(wěn)步發(fā)展

一、背景信息

當(dāng)前，在幾大主流趨勢(shì)的合力驅(qū)動(dòng)下，車輛設(shè)計(jì)與制造方式領(lǐng)域的變革已如箭在弦，不得不發(fā)。車輛所載的電子控制單元（ECU）數(shù)量不斷增加，進(jìn)而提高了電源和數(shù)據(jù)分配的布線難度。支持主動(dòng)安全功能的傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，帶來(lái)了I/O 復(fù)雜性不斷提升。而人工成本的上漲則促使制造商尋找自動(dòng)化程度更高的線束組裝方案。電力需求也在朝著混合動(dòng)力和純電池電動(dòng)汽車的方向不斷發(fā)展，以期進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電氣化。

無(wú)論就何種車輛而言，面對(duì)這些難題時(shí)，區(qū)域控制器都是解決方案的關(guān)鍵所在。通過(guò)在關(guān)鍵位置配置區(qū)域控制器，整車制造商不僅可以降低復(fù)雜性和成本，還可以加快面向未來(lái)車輛架構(gòu)的遷移進(jìn)程。

汽車行業(yè)已步入了其誕生以來(lái)最令人振奮的時(shí)代，技術(shù)進(jìn)步有望帶來(lái)前所未有的安全性、生產(chǎn)率和環(huán)境效益。不過(guò)，具備自動(dòng)駕駛功能的純電動(dòng)汽車不可能在一夜之間成為市場(chǎng)主流，對(duì)大多數(shù)人而言也不太可能在價(jià)格方面都能承擔(dān)。汽車制造商意識(shí)到，他們需要著眼當(dāng)下及未來(lái)，構(gòu)建符合時(shí)代需求的汽車基礎(chǔ)架構(gòu)。在這個(gè)過(guò)程中，區(qū)域控制器不可或缺。在車輛中，區(qū)域控制器作為節(jié)點(diǎn)，扮演著集線器的角色，可滿足車輛空間內(nèi)物理設(shè)備（各種傳感器、外圍設(shè)備和制動(dòng)器）的配電和數(shù)據(jù)連接需求。區(qū)域控制器看似功能簡(jiǎn)單，但其對(duì)簡(jiǎn)化汽車架構(gòu)，進(jìn)一步提升汽車性能卻是至關(guān)重要的一步。

二、智能熔斷

作為配電集線器，區(qū)域控制器自然也囊括了智能熔斷模塊。由半導(dǎo)體取代了繼電器中的傳統(tǒng)熔斷熔絲，以實(shí)現(xiàn)智能熔斷。這種方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

首先，智能熔斷可對(duì)整個(gè)車輛中的保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)集中管理，從而實(shí)現(xiàn)更好的能源管理。這對(duì)于電動(dòng)汽車而言尤為重要；如果電池電量不足，系統(tǒng)可以通過(guò)智能保險(xiǎn)絲智能地暫時(shí)關(guān)閉某些非關(guān)鍵車輛功能。例如，一些功率大卻不太重要的功能，如座椅加熱器或車窗加熱器等。系統(tǒng)會(huì)決定在短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉這些功能，而駕駛員并不會(huì)覺察到這種變化，這樣就能在車輛處于負(fù)載峰值（如急轉(zhuǎn)彎時(shí)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向）時(shí)為更重要功能騰出電力。

其次，智能保險(xiǎn)絲可以檢測(cè)到連接的電線何時(shí)會(huì)斷電，并將該信息傳遞回中央系統(tǒng)。此種預(yù)判性維護(hù)有助于駕駛員解決潛在問題，避免影響車輛運(yùn)行。對(duì)于負(fù)責(zé)維護(hù)大量車輛的車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，這一點(diǎn)尤其重要。第三，智能熔斷可節(jié)約布線成本。過(guò)去，電線的直徑設(shè)計(jì)必須比實(shí)際需要大30％，提升電線在峰值負(fù)載狀態(tài)下的承受力，防止保險(xiǎn)絲熔斷。與之不同的是，通過(guò)智能熔斷，車輛可以設(shè)定電線在特定時(shí)間段內(nèi)可負(fù)載的物理極限。這意味著，通?？梢钥s小線規(guī)（如，從4mm2降低至2.5mm2），從而減輕重量。

三、進(jìn)一步集成

區(qū)域控制器也是多個(gè)ECU 合理的集流點(diǎn)。隨著遍及車身的傳感器和其它電子組件不斷增多，再增加獨(dú)立的ECU 會(huì)帶來(lái)額外重量。每個(gè)ECU 都需要單獨(dú)的電源和數(shù)據(jù)連接，因此布線要求非常復(fù)雜。為了節(jié)省空間、簡(jiǎn)化管理和物理架構(gòu)，整車制造商正致力于用集中式的解決方案替代分布式計(jì)算模型。區(qū)域控制器在這種轉(zhuǎn)變過(guò)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因?yàn)樗鳛樽罴盐恢?，可以?yōu)化匯集各種傳感器、外圍設(shè)備和制動(dòng)器的輸入/輸出（I/O），以及向上集成電子控件的功能。車身和安全控制、HVAC控制、音頻管理以及與非 ADAS 相關(guān)的車輛傳感器和制動(dòng)器等等，都是適合向上集成的ECU。

在一項(xiàng)針對(duì)某家整車制造商的研究中，發(fā)現(xiàn)使用區(qū)域控制器可以整合9個(gè)ECU，并少用數(shù)百根單獨(dú)電線，從而使車輛的重量減少了8.5千克。而每減輕一磅的重量，不但有助于減少二氧化碳的排放，還可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

此外，由于區(qū)域控制器將車輛的基本電氣結(jié)構(gòu)劃分為更易于管理的組成部分，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化線束組裝。在配線成本中，人工費(fèi)約占一半。而隨著勞動(dòng)力成本的增加，預(yù)計(jì)，在未來(lái)五年中，不同國(guó)家組裝所需的勞動(dòng)力成本可能會(huì)增加25％至50％不等。

制造商將企圖借助自動(dòng)化生產(chǎn)，抵消不斷上漲的成本，但是除非具備全新的架構(gòu)，否則在傳統(tǒng)的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化對(duì)于而言將是一座空中樓閣。

向上集成到區(qū)域控制器，可以降低當(dāng)前狀態(tài)下線束的物理復(fù)雜性，并減少ECU的數(shù)量；軟件從而將成為焦點(diǎn)所在，因?yàn)楦鞣N功能已集成到了區(qū)域控制器和其它集中式設(shè)備當(dāng)中。這成為邁向軟件定義車輛的必經(jīng)之路。

為簡(jiǎn)化這一過(guò)程并確保整車制造商可以自由地重復(fù)使用現(xiàn)有軟件，安波福正致力于設(shè)計(jì)可持續(xù)軟件架構(gòu)，令集成變得更加簡(jiǎn)單、更加高效，同時(shí)在必要時(shí)避免功能之間的相互干擾。

四、將I/O與計(jì)算設(shè)備分離開來(lái)

現(xiàn)在，所有傳感器、外圍設(shè)備和制動(dòng)器都直接連接到了域控制器。位于車輛不同位置的雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)和超聲波傳感器，都將數(shù)據(jù)線路連接至主動(dòng)安全域控制器。同樣，座椅位置傳感器、用于調(diào)節(jié)座椅位置的電動(dòng)機(jī)控制裝置以及用于加熱座椅的溫度傳感器，都被連接到座椅ECU。而 HVAC風(fēng)扇速度控制裝置和區(qū)域氣溫控制裝置的溫度傳感器會(huì)連接到HVAC ECU，等等。然而，在應(yīng)用區(qū)域控制器的架構(gòu)中，每個(gè)傳感器和制動(dòng)器都會(huì)根據(jù)其位置連接到本區(qū)域的區(qū)域控制器。然后，區(qū)域控制器將實(shí)施本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)聚合，并通過(guò)單根高速電纜將其傳輸至計(jì)算設(shè)備。

計(jì)算設(shè)備實(shí)際上僅用于處理信息，而這樣就可以將I/O從其中抽離出來(lái)。區(qū)域控制器會(huì)通過(guò)以下設(shè)備處理與終端設(shè)備的通信情況，如控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、與ECU或與車身控制傳感器和制動(dòng)器相連的本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線、攝像頭或其它高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）傳感器相連的以太網(wǎng)或低壓差分信號(hào)（LVDS）接口，根據(jù)每種設(shè)備的首選格式。然后，它將這些信號(hào)匯集到用于高帶寬 ADAS 傳感器的以太網(wǎng)或 PCI Express 上，或用于低帶寬車身控制功能的CAN-FD（CAN靈活數(shù)據(jù)速率）上，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的域控制器。

在先進(jìn)的車輛電源和數(shù)據(jù)分配架構(gòu)中，區(qū)域控制器是關(guān)鍵所在。區(qū)域控制器的數(shù)量可以根據(jù)車輛的需求和復(fù)雜性進(jìn)行調(diào)整。以下是三款配置示例。

區(qū)域控制器涵蓋了對(duì)應(yīng)不同自動(dòng)化水平的可定制車型。處理過(guò)程將由幾部中央計(jì)算設(shè)備分擔(dān)。開放服務(wù)器平臺(tái)（Open Server Platform）負(fù)責(zé)為計(jì)算密集型應(yīng)用服務(wù)，如ADAS和用戶體驗(yàn)應(yīng)用。動(dòng)力總成和底盤控制器負(fù)責(zé)車輛動(dòng)力方面的應(yīng)用，包括發(fā)動(dòng)機(jī)/變速器、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架。車輛中央控制器（ CVC）則負(fù)責(zé)車身控制及全車網(wǎng)絡(luò)管理。就添加軟件定義功能的位置與方式而言，不同整車制造商的選擇可能會(huì)略有不同，不過(guò)，實(shí)現(xiàn)此方案所需的基本原理和技術(shù)構(gòu)建模塊卻是一樣的。

CVC還是所有區(qū)域控制器的車身和電源主控器，處理車輛與外界的通信。CVC能夠接收無(wú)線（OTA）更新，并根據(jù)需要分發(fā)至各車輛系統(tǒng)。它與區(qū)域控制器直接相連并向其發(fā)送更新信息，區(qū)域控制器繼而可依次更新與其相連的其它單元。

最終，通信將會(huì)不斷演進(jìn)。車身控制可以通過(guò)CAN-FD 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其星形拓?fù)湟訡VC為中心。當(dāng)采用便于管理的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，星形拓?fù)涫且环N行之有效的方法，它還可以支持選擇性喚醒。ADAS傳感器通信將通過(guò)基于以太網(wǎng)高時(shí)效網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)或汽車串行總線（PCI Express）的單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)處理，并通過(guò)單獨(dú)的星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)連接到CVC。

當(dāng)需要冗余時(shí)（3級(jí)自動(dòng)駕駛或更高級(jí)別），ADAS傳感器網(wǎng)絡(luò)將形成兩個(gè)閉環(huán)，環(huán)上的主要節(jié)點(diǎn)包括中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)、CVC和區(qū)域控制器。環(huán)形拓?fù)湓诖巳〈诵切瓮負(fù)?；它成本相?duì)而言略高，但遭遇故障時(shí)仍能可靠地運(yùn)作，且能夠避免重復(fù)傳輸。因而，對(duì)于3級(jí)自動(dòng)駕駛或更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛而言，它比其它方案更具成本效益。

五、轉(zhuǎn)向48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)

區(qū)域控制器的另一項(xiàng)應(yīng)用體現(xiàn)在其簡(jiǎn)化了向48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。此種系統(tǒng)架構(gòu)支持所謂的“輕混動(dòng)力系統(tǒng)”車輛，能夠以30％的成本實(shí)現(xiàn)全混合動(dòng)力系統(tǒng)70％的功能，并將燃油經(jīng)濟(jì)性提高15％至20％。同時(shí)，它們能夠在低于60V的電壓下正常工作，因而無(wú)需更換為更昂貴的組件，也沒有高壓系統(tǒng)和純電動(dòng)汽車要求的布線需要。

48V電氣系統(tǒng)為車輛設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了諸多方便，因而日漸受到歡迎。48V電氣系統(tǒng)可以提升輕混動(dòng)力車輛自動(dòng)啟動(dòng)/停止功能的流暢性，比如，車輛會(huì)在停車時(shí)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，并在駕駛員將釋放制動(dòng)器時(shí)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。同樣，借助電子渦輪，它還可幫助整車制造商實(shí)現(xiàn)性能提升。

與搭載內(nèi)燃機(jī)相比，搭載48V電氣系統(tǒng)能更有效地為空調(diào)壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和動(dòng)力轉(zhuǎn)向等主要電氣部件供電。該電氣系統(tǒng)能夠以更低的電流提供同樣高的功率，因而降低能量損耗。因?yàn)殡娏髟降?，?dǎo)體固有電阻損耗的功率就越少。

48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)還解決了冷啟動(dòng)過(guò)程中電壓下降的問題。如果在環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)啟動(dòng)車輛，12V電源可能會(huì)不穩(wěn)定，降低至3V或4V。如果一款電子組件需要5V電流，將導(dǎo)致組件重置。過(guò)去，發(fā)生這種情況時(shí)，車輛架構(gòu)必須采用反向升壓電源，維持所需的高電壓。相比之下，采用48V電氣系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)就不會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，不會(huì)導(dǎo)致組件因電壓過(guò)低而重置，這意味著它將不再需要反向升壓。

六、穩(wěn)步發(fā)展

我們面臨的一大挑戰(zhàn)是，大多數(shù)用于車輛的電氣組件仍按傳統(tǒng)的12V標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。一些車輛設(shè)計(jì)人員為車輛配置了兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)（每個(gè)配有單獨(dú)的電池），一個(gè)電壓為12V，用于舊組件，另一個(gè)電壓為48V，用于更新的連接組件。

區(qū)域控制器能夠簡(jiǎn)化這種架構(gòu)。采用區(qū)域控制器架構(gòu)后，車輛只需配備一個(gè)電池電源，它能夠提供 48V 電壓并將電源分配給區(qū)域控制器。根據(jù)配置，區(qū)域控制器可以向適配組件提供48V的電壓，同時(shí)可以將電壓降低至12V，供其它不適配的組件使用。如，想要將門控制器中的全部發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電氣組件從12V轉(zhuǎn)換為48V，可能成本高昂。相反，整車制造商可能會(huì)選擇僅將車窗升降器轉(zhuǎn)換為48V，因?yàn)樗枰墓β首畲螅鴮⑺衅渌M件的電壓保持在 12V 或更低。區(qū)域控制器可以根據(jù)需要處理此種轉(zhuǎn)換過(guò)程。

區(qū)域控制器因?qū)崿F(xiàn)未來(lái)車輛技術(shù)的階段性方案贏得了廣泛關(guān)注。整車制造商能夠快速地實(shí)現(xiàn)降低成本和減輕重量這一目標(biāo)，為智能汽車架構(gòu)（SVA）?奠定基礎(chǔ)，并為功能豐富、高度自動(dòng)化車輛開創(chuàng)美好未來(lái)。

擱筆分享完畢！

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